DE2616031B2 - Gap seal for turbo machine - Google Patents
Gap seal for turbo machineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spaltdichtung für Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des An- *' Spruchs I.The invention relates to a gap seal for Turbomachine according to the preamble of An * 'Sprucht I.
Eine derartige Turbomaschine ist in der Zeitschrift »Der Flieger« 1970, Heft !,Seiten 20-22,beschrieben.Such a turbo machine is described in the magazine "Der Flieger" 1970, issue!, Pages 20-22.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wird versucht, zwischen dem Triebwerksrotor und dem ■"' umgebenden Statorgebilde den engstmöglichen Abstand einzuhalten, da jegliches Gas, das zwischen diesem. Teilen hindurchströmt, einen Energieverlust im System darstellt. Wenn das System nur unter Dauerzustandsbedingungen arbeiten müßte, wäre es einfach, den A'~' erwünschten engen Abstand zwischen dem Rotor und Stator herzustellen, um die größtmögliche Wirksamkeit zu erzielen, ohne daß die Reibung zwischen den Elementen zu groß wird. Im Betrieb müssen jedoch alle Turbinentriebwerke zunächst vom Stillstand bis zu einer '" Dauerzustandsdrehzahl hochgefahren und dann schließlich bis zum Stillstand abgebremst werden. Dieser Übergangsbetrieb ist nicht mit dem ideal kleinen Abstand vereinbar, da die Drehzahländerungen infolge einer durch Zentrifugalkräfte begründeten mechani- v' sehen Expansion auch zu einem Wachstum des Rotors führt. Der ruhende Stator unterliegt selbstverständlich nicht einer solchen mechanischen Vergrößerung, und deshalb ergibt sich zwischen den zwei Teilen während eines Übergangsbetriebs ein relatives mechanisches h" Wachsen. Wenn das Turbinentriebwerk vom Stillstand hochgefahren wird, erfolgt ferner ein proportionaler Temperaturanstieg der hindurchströmenden Gase, wodurch der Rotor und der Stator variablen Temperaturen unterworfen werden. Diese bewirken ein thermi- h' sches Wachsen beider Teile, und wenn diese unterschiedliche ihermische Expansionskoeffizienten haben, was im allgemeinen zutrifft, erfolg: auch eine relative thermische Expansion zwischen den Teilen, Dabei weist der Rotor notwendigerweise eine große Masse auf, um hohe Drehzahlen zu gestatten, wodurch sich naturgemäß ein sehr langsames thermisches Ansprechvermögen bzw, eine große thermische Trägheit ergibt. Andererseits ist der Stator ein ruhendes Element, und er hat vorzugsweise ein schnelles thermisches Ansprechvermögen bzw. eine kleine thermische Trägheit, um ein thermisches Wachsen des Stators während Besuhleunigungsperioden zu ermöglichen und das mechanische Wachsen des Rotors während dieser Perioden aufzufangen. In order to achieve a high degree of efficiency, attempts are made to keep the closest possible distance between the engine rotor and the surrounding stator structure, since any gas that flows between these parts represents a loss of energy in the system It is easy to produce the A '~' desired close spacing between the rotor and stator in order to achieve the greatest possible efficiency without the friction between the elements becoming too great. In operation, however, all turbine engines must first from standstill to a '" Continuous state speed increased and then finally braked to a standstill. This transition mode is not compatible with the ideal small distance because the speed changes due to justified by centrifugal mechanical v see 'expansion also results in a growth of the rotor. The stationary stator subject will not such a mechanical magnification, and therefore, arises between the two parts during a transient operation of a relative mechanical h "waxes. When the turbine engine is started up from a standstill, also takes place, a proportional increase in temperature of the gases passing therethrough, whereby the rotor and ., the stator variable temperatures are subjected these cause a thermal h 'sches waxes of both parts, and if this different ihermische expansion coefficient have, which is in general, success: a relative thermal expansion between the parts, this case necessarily, the rotor has a large On the other hand, the stator is a static element and it preferably has a fast thermal response or ei ne small thermal inertia to allow thermal growth of the stator during slow acceleration periods and to accommodate the mechanical growth of the rotor during these periods.
Ältere Turbomaschinen waren für einen Betrieb bei relativ kleinen Drehzahlen und niedrigen Temperaturen ausgelegt. Die stationären Ummantelungen waren von Kühlluft umspült, wodurch sich ein minimales thermisches Wachsen und ein langsames Temperaturansprechvermögen bei Betriebsänderungen ergaben. Der relative Abstand zwischen dem Rotor und der Ummantelung wurde deshalb durch das radiale Wachsen des Rotorgebildes bestimmt. Da aber die Temperaturen der Kompressorauslaßluft in dem Triebwerk relativ klein waren und da die Turbomaschine mit relativ niedrigen Drehzahlen arbeitete, war das Wachsen des Rotors infolge der Temperatur- und Zentrifugalbelastung ziemlich mäßig und es ergaben sich deshalb keine Probleme.Older turbo machines were designed to operate at relatively low speeds and temperatures designed. The stationary jackets were surrounded by cooling air, which resulted in a minimal thermal effect Showed growth and slow temperature response to operational changes. Of the relative distance between the rotor and the casing was therefore given by the radial Determines the growth of the rotor structure. But since the Compressor exhaust air temperatures in the engine were relatively small and so did the turbo engine Was working relatively low speeds, the growth of the rotor was due to the temperature and Centrifugal loading fairly moderate and therefore no problems arose.
Mit fortschreitender Technologie wurde die einstufige Turbine eingeführt, die eine beträchtliche Steigerung der Betriebsdrehzihlen des Rotors und der Auslaßtemperatur des Kompressors mit sich brachte. Das sich hieraus ergebende zunehmende radiale Wachsen des Rotors, das durch die Zentrifugalbelastung und die thermische Ausdehnung bewirkt wurde, erforderte ein angepaßtes Wachsen der Ummantelung, um die passenden Radialabstände zwischen den zwei Teilen aufrechtzuerhalten. Um dieses zu erreichen, mußte die Kaltluftumspülung der Halterung der stationären Ummantelung beseitigt und dieses -„'.a'-tdessen höheren Temperaturen ausgesetzt werden, die ein entsprechendes Wachsen zusammen mit dem Rotor ermöglichten.As technology advanced, the single stage turbine was introduced, which was a considerable increase the operating speeds of the rotor and the outlet temperature of the compressor brought with it. The resulting increasing radial growth of the Rotor caused by centrifugal loading and thermal expansion required a adaptive waxing of the jacket to the proper radial distances between the two parts maintain. In order to achieve this, cold air had to be circulated around the holder of the stationary Sheath removed and this - "'. A'-t its higher Exposed to temperatures that allowed a corresponding growth together with the rotor.
Da der Wirkungsgrad und die abnutzungsbedingte lebensdauer des Rotors sowie der Ummantelungsteile des Gasturbinentriebwerkes durch einen Betrieb bei einem bestimmten Radialabstand am besten optimiert werden können, wird üblicherweise die Turbomaschine so ausgelegt, daß der erwünschte Abstand während maximaler Drehzahl- sowie Dauerzustandsbetriebsbedingungen vorliegt. Folglich ist jedoch der Abstand während anderer Betriebsperioden, wie während eines Übergangsbetriebes, kleiner als der vorbestimmte erwünschte Abstand. Zur Anpassung des Abstandes während der Übergänge wurde ein Ummantelungsstützgebilde vorzugsweise aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, wodurch sich die erforderlichen großen Abstände im Kaltzustand ergaben. Bei Verwendung eines solchen Materials ergeben sich jedoch relativ große Abstände während eines Teillastbetriebes.Because the efficiency and the wear-related service life of the rotor and the casing parts of the gas turbine engine is best optimized by operating at a certain radial distance can be, the turbomachine is usually designed so that the desired distance during maximum speed and steady state operating conditions are present. However, the distance is consequent during other operating periods, such as during a transient operation, less than the predetermined one desired distance. A sheath support structure was used to adjust the spacing during the transitions preferably made of a material with a low coefficient of thermal expansion produced, which resulted in the required large clearances in the cold state. Using such a material, however, results in relatively large distances during partial load operation.
Bei Gasturbinentriebwerken mit noch höheren Drehzahlen und Betriebstemperaturen wurde festgestellt, daß die zuvor bevorzugten Materialien mit einem kleinen Ausdehnungskoeffizienten ungeeignet waren, da sie bei hohen Betriebstemperaturen keine genügende Festigkeit besaßen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Erfordernis einer größeren Festigkeil bei höheren Temperaturen führte zur Verwendung von Legierungen auf Nickelbasis, deren thermischerIn the case of gas turbine engines with even higher speeds and operating temperatures, it was found that the previously preferred materials with a small expansion coefficient were unsuitable, because they did not have sufficient strength at high operating temperatures to ensure safe operation guarantee. The need for a larger wedge at higher temperatures led to its use of nickel-based alloys, their thermal
Ausdehnungskoeffizient wesentlich größer als derjenige der zuvor benutzten Metalle war. Die Legierungen auf Nickelbasis ergaben eine passende Abstandssteuerung während der maximalen Betriebsbedingungen und bei Teillastbedingungen, aber die Kaltabstände zwischen den rotierenden und nicht rotierenden Gebilden wurden somit vermindert. Dadurch wurden während bestimmter Perioden eines Übergangsbe.triebes die Abstände derart reduziert daß sich ein Reibungskontakt zwischen den bewegten und unbewegten Teilen ergab, was zu einer Abnutzung und zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit sowie des Wirkungsgrades des Triebwerkes führte. Bekanntlich nimmt der Abstand zwischen den zwei Bauteilen ein Minimum ein, wenn das Triebwerk auf Teilleistung abgebremst und dann schnell beschleunigt wird (Stoß des heißen Rotors). Deshalb slellt gerade dieser Abstand das kritische Kriterium für die Gestaltung einer Turbomaschine dar.Coefficient of expansion was significantly greater than that of the metals previously used. The alloys on Nickel base gave adequate clearance control during the maximum operating conditions and at Partial load conditions, but the cold clearances between the rotating and non-rotating structures were thus diminished. As a result, during certain periods of a transitional drive, the intervals so reduced that there was frictional contact between the moving and stationary parts, which leads to wear and tear and a reduction in the performance and efficiency of the Engine led. As is well known, the distance between the two components takes a minimum when that The engine is braked to partial power and then accelerated quickly (impact of the hot rotor). That's why It is precisely this distance that is the critical criterion for the design of a turbo machine.
Die mit der Abstandssteuerung zwischen dem Turbinenroior und der Ummantelung verbundenen Probleme gelten in gleicher Weise auch für andere Dichtungsanordnungen zwischen sich relativ .!rehenden Teilen. Beispielsweise sind längs des Turbinentriebwerks verschiedene Dichtungsanordnungen zwischen bewegten und ruhenden Teilen des Triebwerkes angeordnet. Eine andere übliche Dichtung ist die Kompressorauslaßdichtung, die mit ihren zugeordneten stationären und drehbaren Teilen derselben Erscheinung unterliegt wie die Ummantelung. Auch hier können der Wirkungsgrad sowie die Abnutzung zu einem Problem werden, wenn ein Betrieb über einem Bereich von variablen Drehzahlen und Temperaturen erfolgt.Those associated with the clearance control between the turbine front and the shroud Problems also apply in the same way to other sealing arrangements between them Share. For example, along the turbine engine, various seal arrangements are between arranged moving and stationary parts of the engine. Another common poetry is that Compressor outlet seal, with their associated stationary and rotatable parts of the same appearance subject to like the sheathing. Here, too, the efficiency as well as the wear and tear can increase become a problem when operating over a range of variable speeds and temperatures he follows.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß auch bei variablen Drehzahlen und Temperaturen der Radialabstand zwischen den sich relativ zueinander drehenden Teilen auf dem gewünschten Maß gehalten wird.The invention is based on the object of providing a turbomachine of the type mentioned at the outset to design that even with variable speeds and temperatures, the radial distance between them relative to each other rotating parts is kept to the desired extent.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features characterized in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous refinements of the invention are characterized in the subclaims.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Turbomaschine über einem weiten Temperaturbereich und selbst bei sich schnell ändernden Betriebsbedingungen mit gutem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer arbeitet. Dabei ist die in der Turbomaschine gemäß der Erfindung ausgebildete Spaltdichtung geeignet, Lt verschiedenartigen thermisch aufheizbaren umlaufenden Maschinen und auch an unterschiedlichen Stellen innerhalb einer derartigen Maschine verwendet zu werden.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the turbomachine works over a wide temperature range and even under rapidly changing operating conditions with good efficiency and a long service life. The skilled in the turbo machine according to the invention is suitable gap seal, Lt various thermally heatable rotating machinery and to be used at different locations within such a machine.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the description and drawing of exemplary embodiments. It shows
Fig. 1 eine Turbomaschine mit mehreren Dichtungsanordnungen. 1 shows a turbomachine with several sealing arrangements.
Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Eigenschaften des Materials mit zwei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu den Eigenschaften eines typischen Materials mit einem Ausdehnungskoeffizienten und2 shows the properties in a graphical representation of the material with two different thermal expansion coefficients compared to the properties of a typical material with an expansion coefficient and
F i g. 3 ein einer graphischen Darstellung die Abstandsbcziehung zwischen der Turbincnschaufelspitze und der Ummantelung während variabler Drehzahl- und Betriebstemperatur! cdingungen.F i g. 3 is a graph showing the relationship of the distance between the turbine blade tip and the casing during variable speed and operating temperature! cconditions.
F i g. I zeigt einen Kompressor 18 mit l.eilschaufelnF i g. I shows a compressor 18 with single blades
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29 und Leitschaufeln 31, die Hochdruckluft nach hinten zur Ausg»ngslejtschaufel 32 ausstoßen. Ein Teil der Kompressorauslaßluft strömt in Ringräume 33 und 34, wobei diese Luft für Köhlzwecke benutzt wird, und der Hauptteil strömt an den Leitschaufeln 32 entlang zu einem Diffusor 36 in und um den Brenner 21 herum.29 and guide vanes 31, which expel high pressure air to the rear to the outlet guide vane 32. A part of Compressor outlet air flows into annular spaces 33 and 34, this air being used for coal purposes, and the The main part flows along the guide vanes 32 to a diffuser 36 in and around the burner 21.
Der Brenner 21 weist äußere und innere Verkleidungen 37 und 38 auf, die gemeinschaftlich eine ringförmige Verbrennungskammer bilden, in die Brennstoff über eine sich durch das Eirennergehäuse 41 nach innen erstreckende Brennstoffdüse 39 eingespritzt wird Durch den Luftstrom vom Diffusor in den Ringkanal 35, der von der Außenverkleidung 37 und dem Brennergehäuse 41 begrenzt wird, ergibt sich eine teilweise Kühlung des Brenners 21. In ähnlicher Weise wird an der Innenseite des Brenners eine ringförmige Kammer 40 von der inneren Verkleidung 38 und der Düsenhalterung 42 begrenzt, um diesen Teil des Brenners zu kühlen. Dem Mischvorgang von Brennstoff aus der Düse und von Luft aus dem Diffusor folgt eine Zündung der Mischung, und die heißen Gase strömen von dem Brenner 21 nach hinten zur einer Reihe von umfangsmäßig verteilten Hochdruckdüsen 43 und dann weiter nach hinten, um auf eine Umfangsreihc von Turbinenschaufeln 44 der Hochdruckturbine 19 aufzutreffen. Diese Hochdruckschaufel 44 ist in engem Abstand zu einer ringförmigen Ummantelung 46 angeordnet, die aus einem geeigneten abschleifbaren Material hergestellt ist, um die Laufschaufeln einerseits eng zu umschließen, andererseits aber einen gewissen Reibungseingriff sowie eine Abnutzung zu bestimmten Betriebszeiten zuzulassen, bei denen der Abstand zwischen der Ummantelung und den Laufschaufeln zeitweilig entfallen kann. Die Ummantelung 46 ist vorzugsweise aus einer Anzahl von Ringsektoren hergestellt, die a.. der Innenseite eines ringförmigen Bandes 47 befestigt sind, welches seinerseits aus einer Anzahl von einen vollständigen Kreis bildenden Sektoren hergestellt ist. Das Band 47 ist durch eine Halterung 48 abgestützt, die an ihrem rückwärtigen Ende einen sich radial einwärts erstreckenden und mittels eines U-förmigen Bügels 49 am Ringband 47 befestigten Flansch aufweist. Die vordere Seite des Ringbandes 47 ist mittels eines Aufhängeis 50 und mehreren Schrauben 51 an der Halterung 48 fe&tgelegt. Diese ist an ihrem rückwärtigen Ende mittels Schrauben 53 mit der Niederdruckdüsenhalterung 52 und an ihrem vorderen Ende zusammen mit der Hochdruckdüsenstütze 56 durch mehrere Schrauben 57 mit dem Brennergehäuse 41 verbunden.The burner 21 has outer and inner linings 37 and 38 which collectively form an annular combustion chamber into which fuel is injected via a fuel nozzle 39 extending inwardly through the burner housing 41 Outer lining 37 and the burner housing 41 is limited, there is a partial cooling of the burner 21. Similarly, an annular chamber 40 is delimited on the inside of the burner by the inner lining 38 and the nozzle holder 42 in order to cool this part of the burner. The mixing process of fuel from the nozzle and air from the diffuser f olgt ignition of the mixture and the hot gases flow from the burner 21 back to a series of circumferentially distributed high-pressure nozzles 43, and then further rearwardly to a Umfangsreihc of Turbine blades 44 of the high pressure turbine 19 hit. This high-pressure blade 44 is arranged in close proximity to an annular casing 46 which is made of a suitable abradable material, on the one hand to closely enclose the rotor blades, but on the other hand to allow a certain frictional engagement and wear at certain operating times, in which the distance between the Sheathing and the blades can temporarily be omitted. The casing 46 is preferably made of a number of annular sectors which are attached to the inside of an annular band 47 which in turn is made of a number of sectors forming a complete circle. The band 47 is supported by a holder 48 which, at its rear end, has a flange that extends radially inward and is fastened to the ring band 47 by means of a U-shaped bracket 49. The front side of the ring band 47 is secured to the holder 48 by means of a suspension bar 50 and several screws 51. This is connected at its rear end by means of screws 53 to the low-pressure nozzle holder 52 and at its front end together with the high-pressure nozzle support 56 by several screws 57 to the burner housing 41.
Als Teil des Küh/systems erstreckt sich das Brennergehäuse 41 um den Hochdruckturbinenteil des Triebwerks nach hinten, wo es abrupt durch einen Leitungsabschnitt 58 vergrößert wird, der einen Ringraum 59 zwischen dem Leitungsabschnitt unJ der Halterung 48 bildet. Mit dem Ringraum 59 stehen mehrere Luftablaßleitungen 61 in Verbindung, die Ablaßluft von den Zwischenstufen des Kompressors 18 zum Zweck eine bekannten Turbinendüsenkühlung abführen. Da die Halterung 48 immer der Ablaßluft vom Kompressor ausgesetzt ist, sind die Temperaturen, denen sie unterworfen ist, durch die Drehzahlen des Triebwerks bestimmt. Das heißt, dall die AbIaBIuFt bei kleineren Drehzahlen weniger stark komprimiert wird und relativ kühl ist. ivenn sie die Halterung 48 erreicht, während die Ablaßluft bei höheren Drehzahlen in stärkerem Maße komprimiert wird und relativ heiß ist. Selbstverständlich wird die Temperatur der HalterungThe burner housing extends as part of the cooling system 41 to the rear of the high pressure turbine section of the engine, where it abruptly through a Line section 58 is enlarged, which unJ the an annular space 59 between the line section Bracket 48 forms. With the annular space 59 are a plurality of air discharge lines 61 in connection, the Discharge air from the intermediate stages of compressor 18 for known turbine nozzle cooling dissipate. Since the bracket 48 is always exposed to the exhaust air from the compressor, the temperatures are to which it is subject, determined by the engine speed. That means that the ABIuFt at lower speeds is less compressed and is relatively cool. When it reaches the bracket 48, while the exhaust air is more compressed and relatively hot at higher speeds. Of course, the temperature of the bracket
ferner durch die Tcnipei;itur der ;uis Jum Ringkannl 35 austretenden Cjasc beeinflußt, die durch Öffnungen in der Hochdruckdüsenstütze 56 hindurchströmen. Diese /wci verschiedenen Lufttemperaturen bestimmen zusammen das thermische Wachsen der Halterung 48.also through the Tcnipei; itur der; uis Jum Ringkannl 35 exiting Cjasc, which flow through openings in the high pressure nozzle support 56. These / wci different air temperatures determine together the thermal growth of the bracket 48.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Halterung 48 und der Ummantclungsaufhänger 50 aus einem Material, das in verschie denen Temperaturbereichen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Diese Eigenschaft ist klarer aus F i g. 3 ersichtlich, in der der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient als Funktion der Temperatur für zwei verschiedene Arten eines solchen Materials mit zwei Ausdehnungskoeffizienten aufgetragen ist. und zwar im Vergleich zu einem bekannten Material mit einem großen Koeffizienten. Bei letzterem ändert sich der thermische Expansionskoeffizient sich nicht wesentlich mit der Temperatur, und die tatsächlich auftretende Änderung zeichnet sich durch eine nahezu geradlinige Kurve ßaus. Diese Charakteristik kann eine mechanische Störung zwischen der Schaufel und der Ummantelung während eines bestimmten Triebwerksübergangsbetriebes bewirken, wie es noch näher erläutert wird.According to the described embodiment of the invention, the holder 48 and the sheath hanger exist 50 made of a material that has different thermal in different temperature ranges Has expansion coefficients. This property is clearer from FIG. 3 can be seen in the middle thermal expansion coefficient as a function of temperature for two different types of such Material is applied with two expansion coefficients. in comparison to a known one Material with a large coefficient. In the latter, the coefficient of thermal expansion changes does not vary significantly with temperature, and the change that actually occurs is characterized by an almost straight curve ßaus. This characteristic can be a mechanical interference between the blade and the shroud during a particular engine transient operation cause, as will be explained in more detail.
Für ein zwei unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisendes Material zeigt die Kurve A\, daß ein solches Temperaturen zwischen 150 und 350" C ausgesetztes Material einen sehr kleinen thermischen Expansionskoeffizienten hat. der bei einer Zunahme der Temperatur leicht sinkt. Wenn dasselbe Material jedoch Temperaturen von 350 bis 75O"C ausgesetzt wird, steigt der thermische Expansionskoeffizient beträchtlich an. und zwar ziemlich direkt proportional zur Temperaturerhöhung. In ähnlicher Weise ist eine Kurve A2 für ein anderes derartiges Material dargestellt, das sich durch eine negative Steigung im Bereich von 120 bis 425'C und durch eine ziemlich konstante positive Steigung im Temperaturbereich über 425C auszeichnet. Die Verwendung eines solchen Materials bei der vorstehend beschriebenen Dichtungsanordnung zwischen der Ummantelung und den Schaufelgebilden eines Turbinentriebwerkes kann während eines Übergangsbetriebes die erwünschten Abstände aufrechterhalten, wie es unter Bezug auf F i g. 3 noch näher erläutert wird.For a material having two different coefficients of expansion, the curve A \ shows that such a material exposed to temperatures between 150 and 350 "C has a very small coefficient of thermal expansion that decreases slightly with an increase in temperature "When exposed to C, the coefficient of thermal expansion increases considerably. and quite directly proportional to the increase in temperature. Similarly, a curve A2 is shown for another such material, which is characterized by a negative slope in the range from 120 to 425 ° C and by a fairly constant positive slope in the temperature range above 425 ° C. The use of such a material in the above-described sealing arrangement between the shroud and the blade formations of a turbine engine can maintain the desired clearances during transient operation, as illustrated with reference to FIG. 3 will be explained in more detail.
F i g. 3 zeigt die Änderung zwischen der Turbinenschaufelspitze und der Ummantelung für eine Betriebsfolge, wobei drei verschiedene Materialarten für die Umm?ntelungshalterung verwendet wurden. Für das Materal mit einem einzigen hohen Ausdehnungskoeffizienten ist festzukeilen, daß im Dauerbetrieb und bei Teillast der Abstand eine passende Größe hat. Während einer der anfänglichen Beschleunigung folgenden Periode wird jedoch der Abstand auf ein unerwünschtes Minimum reduziert, wie es am Punkt C der Kurve dargestellt ist Wenn ein Bremsen bzw. Verzögern auf Teilleistung durchgeführt wird, wonach unmittelbar eine schnelle Beschleunigung stattfindet, kann der Abstand am Punkt D der Kurve in ähnlicher Weise auf ein unerwünschtes Minimum reduziert werden, wobei Material entweder von den sich drehenden oder den sich nicht drehenden Teilen angeschliffen wird.F i g. 3 shows the change between the turbine blade tip and the shroud for a sequence of operations where three different types of materials were used for the shroud support. For the material with a single high coefficient of expansion it must be wedged that the distance is of a suitable size in continuous operation and at partial load. During an initial acceleration following period, however, reduces the distance to an undesirable minimum, as shown at point C of the curve, when a braking or deceleration is carried out on part of power, after which immediately takes place a rapid acceleration, the distance at the point D of the curve can be reduced to an undesirable minimum in a similar manner, with material being abraded from either the rotating or the non-rotating parts.
Wenn dagegen ein Metall für die Halterung verwendet wird, das einen thermischen Expansionskoeffizienten gemäß der Kurve A in F i g. 2 aufweist, dann bildet sich der Abstand zwischen der Schaufelspitze und der Ummantelung nach der Kurve P\ in F i g. 3 aus. Es ist festzustellen, daß einerseits die erwünschten Abstände während der Dauer- und Teiliastbedingungen aufrechterhalten werden und daß andererseits auch eine ausreichende Abstandsbe/iehung unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen vorliegt: und es ergibt sich, was noch wichtiger ist. ein ausreichender Absland wahrend der Periode unmittelbar nach dem Bremsen b/w. Verzögern und vor dem Beschleunigen, wie es durch den Punkt i'dcr Kurve dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt die Kurve /'> die Abstandsbeziehung bei Verwendung eines anderen Materials mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, das thermische Ausdehnungskoeffizienten gemäß der Kurve /t? in Fig. 2 aufweist. Wiederum ergibt sich ein ausreichender Abstand während Perioden unmittelbar nach dem Beschleunigen bzw. Anlaufen und zwischen einem Abbremsen bzw. Verzögern und dem plötzlichen Beschleunigen (Punkt F). Somit ist es ersichtlich, daß bei einer Verwendung eines der beiden Materialien, deren Ausdehnungskoeffizienten den Kurven Ai uuei Ai entsprechen, der Abstand im Dauerbetrieb auf denselben erwünschten Werten wie bei dem Material mit einem einzigen Ausdehnungskoeffizienten gebracht werden kann und daß zusätzlich die erwünschten Abstände bei Übergangsbetriebszuständen erzielbar sind. Die Auswahl des jeweilig verwendeten Materials mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hängt von den erwünschten Eigenschaften ab und kai,») so getroffen werden, daß irgendeine erwünschte Übergangsbetriebs-Abstandsbeziehung zwischen den Kurven P\ und P2 bzw. nahe derselben erreicht wird.On the other hand, if a metal is used for the bracket, which has a thermal expansion coefficient according to curve A in FIG. 2, then the distance between the blade tip and the casing is formed according to the curve P \ in F i g. 3 off. It should be noted that, on the one hand, the desired distances are maintained during the continuous and partial load conditions and, on the other hand, there is also a sufficient distance relationship immediately after acceleration or start-up: and this results in what is even more important. Sufficient land during the period immediately after braking b / w. Decelerate and before accelerate as shown by the point i'dcr curve. Similarly, the curve / '> shows the distance relationship when using a different material with different expansion coefficients, the thermal expansion coefficient according to the curve / t? in Fig. 2 has. Again, there is a sufficient distance during periods immediately after the acceleration or start-up and between braking or deceleration and the sudden acceleration (point F). It can thus be seen that when using one of the two materials, the expansion coefficients of which correspond to the curves Ai uuei Ai , the distance in continuous operation can be brought to the same desired values as in the case of the material with a single expansion coefficient and that, in addition, the desired distances in transitional operating states are achievable. The selection of the particular material used, with different coefficients of thermal expansion, depends on the properties desired and can be made so that any desired transient operating distance relationship between the curves P 1 and P 2 or close to them is achieved.
Eine derartige Dichtungsanordnung läßt sich an anderen Stellen in einer umlaufenden Maschine und insbesondere einer Turbomaschine verwenden. Gemäß F i g. I werden die heißen Gase aus dem Brenner 21 an den Turbinenschaufeln 44 entlang geleitet. Gleichzeitig zirkuliert Kühlluft an der radial innenliegenden Seite der Laufschaufeln, um dort die Temperaturen der Komponenten auf annehmbaren Temperaturen zu halten. Die Kühlluft geht aus von der ringförmigen Kammer 40 und strömt durch die Öffnung 63 in die Ringleitung 64. Von hier gelangt die Kühlluft nach hinten durch die stationäre Expansionsdüse 66 und in den Hohlraum 67. In diesen ragt die Turbinendichtungsscheibe 68 hinein, an deren Ende eine bekannte Labyrinthdichtung 69 angeordnet ist. Die Kühlluft strömt vom Hohlraum 67 an einer Seite der Turbinendichtungsscheibe 68 durch eine Scheibenöffnung 71 in eine Kammer 72 an der anderen Seite. Es ist eine Funktion der Dichtung 69. den Druckabfall zwischen der Hochdruckkühlluft und den heißen Turbinengasen an der äußeren Seite aufrechtzuerhalten. Der sich drehende Teil 69 befindet sich in Eingriff mit einem stationären Dichtungssitz 73, der aus einem weichen, temperaturbeständigen Material besteht. DerSuch a sealing arrangement can be used in other places in a rotating machine and especially a turbo machine. According to FIG. I turn on the hot gases from the burner 21 guided along the turbine blades 44. At the same time, cooling air circulates on the radially inner side of the blades in order to keep the temperatures of the components at acceptable temperatures keep. The cooling air emanates from the annular chamber 40 and flows through the opening 63 into the Ring line 64. From here the cooling air travels backwards through the stationary expansion nozzle 66 and into the cavity 67. The turbine sealing disk 68 protrudes into this, at the end of which a known one Labyrinth seal 69 is arranged. The cooling air flows from the cavity 67 on one side of the Turbine seal disk 68 through disk opening 71 into chamber 72 on the other side. It is a function of the seal 69. the pressure drop between the high pressure cooling air and the hot Maintain turbine gases on the outer side. The rotating part 69 is in engagement with a stationary seal seat 73 made of a soft, temperature-resistant material. Of the
• Dichtungssitz 73 wird von einer Halterung 74 gehalten, die ihrerseits durch Schrauben 76, 77 mit Trageteilen der Turbine verbunden ist Auch diese Halterung 74 kann aus einem unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Material der beschriebenen Art• Sealing seat 73 is held by a bracket 74, which in turn is connected to the support parts of the turbine by screws 76, 77. This bracket 74, too can be made of a material of the type described with different expansion coefficients
• bestehen, um die erwünschten Abstandsbeziehungen zwischen dem Dichtungssitz 73 und dem Dichtungstell 69 während eines Dauer- oder Obergangsbetriebes zu erzielen.• exist in order to achieve the desired spacing relationships between the sealing seat 73 and the sealing position 69 to be achieved during continuous or transition operation.
Entsprechendes gilt auch für eine LabyrinthdichtungThe same also applies to a labyrinth seal
• 78, 79 an der Kühlluftkammer 33 am Ausgang des Kompressors 18. Der stationäre Dichtungsteil 79 ist fest an einer Halterung 81 angebracht der mittels Schrauben 82 an der Düsenhalterung 42 befestigt ist.• 78, 79 on the cooling air chamber 33 at the outlet of the compressor 18. The stationary sealing part 79 is fixed attached to a holder 81 which is fastened to the nozzle holder 42 by means of screws 82.
Auch die Halterung 81 besteht aus einem Material mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zuvor erläuterten Art. um die passenden Abstandsbeziehungen zwischen den Dichtungsteilen 78 und 79 aufrechtzuerhalten. The holder 81 is also made of a material with different coefficients of expansion than before explained Art. In order to maintain the appropriate spacing relationships between the sealing parts 78 and 79.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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